Геоэкологический мониторинг территорий расположения объектов транспорта газа в криолитозоне (теория, методология, практика)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геоэкологический мониторинг территорий расположения объектов транспорта газа в криолитозоне (теория, методология, практика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Россия принадлежит к числу крупнейших газодобывающих стран мира, а ее доля в общем балансе добычи составляет около 28%. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», и решений, принятых на заседаниях Правительства РФ 17 апреля 2003 г. и Морской коллегии при Правительстве РФ 17 октября 2003 г., основные положения которой были рассмотрены и одобрены на заседании Правительства Российской Федерации, предполагается наращивание ежегодной добычи газа, которая к 2020 г. может достигнуть 700 млрд. м³. Развитие газового комплекса России играет важную роль в обеспечении энергетической и экономической безопасности страны, формировании новых газодобывающих центров, в том числе в криолитозоне Западной Сибири. В настоящее время основным источником природного газа являются базовые месторождения Западной Сибири, которые в значительной степени уже выработаны. К 2020 году свыше 70% добычи природного газового сырья должно быть получено на новых месторождениях. В свою очередь, развитие и успешное функционирование газового комплекса и его геополитическая роль определяются не только сырьевой базой и ее своевременным воспроизводством за счет прироста запасов (в первую очередь - активных), но и наличием системы транспорта газа.

Объекты транспорта газа относятся к особо опасным промышленным объектам, а сам транспорт газов является потенциально опасным производством для всех компонентов окружающей среды, особенно в криолитозоне. Практически на всех стадиях освоения месторождений происходит негативное влияние на недра, почвенно-растительный покров, атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды. Происходит изменение ландшафта и экосистем, отмечается негативное влияние на животный мир и на здоровье и условия проживания как работников предприятий, так и коренного населения.

Характер и интенсивность влияния транспортной инфраструктуры на компоненты окружающей среды зависят от многих факторов и определяются не только техническими характеристиками производственных объектов и возможностью их работы в безаварийном режиме, но и количеством и токсичностью загрязняющих веществ, особенностями геоэкосистемы, в первую очередь устойчивостью ее к техногенным нагрузкам, которая зависит от природно-климатических условий, потенциала самоочищения и самовосстановления, биопродуктивности, особенностей рельефа, гидрогеологического и гидрологического режимов, геологических условий, свойств почвы, уровня солнечной радиации и др.

Западная Сибирь является регионом сложным не только в геологическом отношении, но и в многообразии факторов деградации окружающей среды. Нарушение равновесия между обществом и природой становится все более многогранным и служит причиной возникновения многих социально-экологических неблагоприятных последствий: роста заболеваемости, возникновения локальных водных конфликтов, повышения экологического, геологического и социального рисков вследствие интенсивного процесса урбанизации и акселерации техногенных воздействий на окружающую среду, возникновения опасных геологических процессов, вызывающих преждевременные деформации зданий и сооружений, ускоренное разрушение подземных коммуникаций.

Взаимодействие объектов транспорта газа и компонентов окружающей среды в криолитозоне, учет всех возможных видов и источников негативного влияния на природную среду, выявление закономерностей и масштабов изменения природы с точки зрения обеспечения геоэкологической безопасности территории должны выявляться при проведении геоэкологического мониторинга, который позволяет не только проводить регулярное обследование территории и на основе анализа полученных данных своевременно выявлять изменения в состоянии природно-технической геоэкологической системы (ПТГЭС) «объекты транспорта газа - окружающая среда», но и по мере накопления данных разрабатывать прогнозы устойчивости ПТГЭС при различных режимах эксплуатации, моделировать ее состояние и обосновывать мероприятия по восстановлению нарушенных территорий, а также корректировать проектные решения по специальной инженерной защите производственных объектов и окружающей среды на участках возможных критических ситуаций, выявляемых в процессе геоэкологического мониторинга.

Объектом исследования, рассмотренным в данной работе, явились экспериментальные участки в пределах Западной Сибири: территория Находкинского месторождения (1 участок) и территория Уренгойского месторождения (2 участок).

Предметом исследований являлись аспекты техногенной трансформации компонентов окружающей среды (литосферы, гидросферы, педосферы, атмосферы, животного и растительного мира, социосферы) под воздействием объектов транспорта газа на эксплуатационных стадиях жизни сооружений.

Цель и задачи исследований. Главная цель работы - создание научно-методической основы и методологии прогноза изменения геоэкологической обстановки в связи с созданием газотранспортной инфраструктуры в криолитозоне.

При этом решались следующие основные задачи:

- оценка объектов транспорта газа как источников изменения и загрязнения окружающей среды;

- оценка взаимодействия окружающей среды и объектов транспорта газа;

- установление слагаемых и показателей экологической безопасности на основе риск-анализа;

- обеспечение геоэкологической безопасности территорий расположения объектов транспорта газа на основе экономической оценки состояния окружающей среды и расчета экономического ущерба посредством экологического страхования и экологического аудита;

- разработка программы геоэкологического мониторинга территорий расположения объектов транспорта газа в процессе их эксплуатации.

Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использованы методы научного познания, теоретическое обобщение современных знаний и представлений о геоэкологии, геоэкологическом мониторинге, изменениях окружающей среды под воздействием объектов транспорта газа и взаимодействии окружающей среды и транспортной системы. Широко применялись полевые и лабораторные методы. При обработке материалов использовались вероятностно-статистические методы, картографический метод, математическое моделирование с применением компьютерных технологий, а также метод природных аналогов, расчетные, экспериментальные и лабораторные методы.

Научная новизна работы. В работе обоснована программа геоэкологического мониторинга территорий расположения объектов транспорта газа, позволяющая на новом качественном уровне подойти к решению актуальных проблем охраны окружающей среды и рационального природопользования. В процессе разработки и реализации предлагаемой программы получен ряд принципиально новых и важных научных результатов:

1. Раскрыта суть геоэкологического мониторинга территорий расположения объектов транспорта газа и природно-технической геоэкологической системы (ПТГЭС) «объекты транспорта газа-окружающая среда». Уточнена структура геоэкологического мониторинга, включающая функции, объекты наблюдения, виды работ, нормативные документы.

2. Предложена методика обеспечения геоэкологической безопасности криолитозоны посредством экологического страхования и экологического аудита на основе риск-анализа, комплексно учитывающего экономическую оценку состояния окружающей среды и возможного экономического ущерба.

3. Разработана методика прогнозной оценки функционирования ПТГЭС «объекты транспорта газа - окружающая среда» с помощью следующих методов:

а) аналогий - проведена оценка возможного изменения состояния ПТГЭС «объекты транспорта газа - окружающая среда» территории Находкинского месторождения;

б) математического моделирования - получены стохастические математические модели, аппроксимирующие зависимости стабильности состояния газопровода и показателя интенсификации негативных инженерно-геологических процессов от характеристик свойств окружающей среды;

в) расчетных методов - разработана и реализована методика районирования трасс газопроводов по характеру развития процессов солифлюкции и криогенного растрескивания;

г) лабораторных и экспериментальных исследований - разработаны номограммы для определения коэффициента размываемости мерзлых пород в зависимости от простейших физических свойств.

4. Разработан метод прогноза взаимодействия газопроводов с компонентами окружающей среды, основанный на экспериментальных и лабораторных исследованиях термоэрозионного процесса.

5. Разработана программа геоэкологического мониторинга территорий расположения объектов транспорта газа на стадии эксплуатации в условиях Западной Сибири на основе методологии комплексной оценки взаимодействия промышленных объектов и окружающей среды.

На защиту выносится оригинальная научная концепция геоэкологического мониторинга природно-технических геоэкологических систем разного уровня, содержащая пять защищаемых положений:

1. Впервые на примере объектов транспорта газа, расположенных в криолитозоне, обосновано, что теоретической основой геоэкологического мониторинга является синтез системного подхода и концепции раннего предупреждения негативных изменений природно-технических геоэкологических систем, позволяющий выявить закономерные изменения с учетом структурно-геологической неоднородности строения территории, экзогенных геологических процессов и ландшафтно-климатической обстановки.

2. Объективность оценки изменения состояния окружающей среды при взаимодействии с объектами транспорта газа в криолитозоне обеспечивается, в первую очередь, учетом теплового и механического влияния на грунты основания, а также изменения гидрогеологических и гидрологических условий; нарушения почвенно-растительного покрова и условий жизнеобитания животного мира; распределения загрязнителей на всех этапах эксплуатации.

3. Геоэкологический мониторинг территорий расположения объектов транспорта газа в криолитозоне представляет собой комплекс наблюдений, накопления и обработки информации, прогноза и выдачи управляющих решений, основанный на взаимодействии природных и техногенных объектов.

4. Прогноз изменений ПТГЭС следует выполнять с помощью совокупного использования методов аналогий, математического моделирования, расчетных, лабораторных и экспериментальных исследований на основе учета возможного развития наиболее опасных инженерно-геологических процессов, загрязнения атмосферы, поверхностных и подземных вод, почв, изменения биосферы и социосферы. Существующие ограничения для каждого из методов устраняются при их совместном использовании, что позволяет применять их для практических целей.

5. Неотъемлемой частью регионального и локального геоэкологического мониторинга территорий расположения объектов транспорта газа в криолитозоне является управление состоянием ПТГЭС «объекты транспорта газа-окружающая среда», важнейшая часть которого - экологическое страхование, проводимое на основе экологического аудита.

Реализация результатов исследований и практическая значимость работы. Результаты работы уже сейчас нашли применение при:

- разработке проектов создания инфраструктуры Уренгойского месторождения;

- создании локальных систем геоэкологического мониторинга на промысле газового месторождения Медвежье;

- разработке проектов прокладки газопроводов с Бованенковского месторождения (территория полуострова Ямал);

- создании концепции геоэкологического мониторинга Находкинского месторождения и многих других.

Отдельные результаты работы переданы для внедрения в институт ВНИИГаз, Надымгазпром, ТюменНИИгипрогаз, Гипроспецгаз и другие.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов МГГА (1993, 1995, 1996 гг.), на международных конференциях «Новые идеи в науках о земле» (2001, 2003, 2005, 2007 гг.), на Ломоносовских чтениях геологического факультета МГУ (1996 г.), на первой конференции геокриологов России (1996 г.), совместной конференции юридического факультета МГУ и Российской академии правосудия «Реформы законодательства: проблемы и перспективы» (2002 г.), на Международной научной конференции геологического факультета МГУ (2007 г.), на семинарах кафедры гражданско-правовых дисциплин МосУ МВД (2002 г.), кафедры международного частного права ВГНА (2006 г.), на семинаре «Разрешительный характер деятельности по созданию и эксплуатации трубопроводов и соблюдение требований экологической безопасности» ОАО «ГАЗПРОМ» (2008 г.) и других совещаниях и конференциях.

Публикации. Результаты научных исследований нашли отражение в 32 печатных работах, из них 8 опубликованы в реферируемых журналах.

Исходные данные и личный вклад в решение проблемы. В основу диссертации положены результаты многолетних (с 1981 года) исследований автора, проводившихся на кафедре геокриологии МГУ, кафедре инженерной геологии РГГРУ и на кафедре геоэкологии и безопасности жизнедеятельности РГГРУ; фондовые и литературные материалы, а также данные научных исследований, проводимых экспедициями кафедры геокриологии МГУ и кафедры инженерной геологии РГГРУ в различных районах России.

Исследования основаны на фактических материалах инженерно-геологических и экологических исследований на территории Западной Сибири, выполненных при участии автора; данных лабораторных исследований химического состава поверхностных и подземных вод, донных отложений, атмосферного воздуха, почв и сточных вод, выполненных в лабораториях МГУ и РГГРУ. В диссертационной работе использованы результаты качественного и количественного анализа загрязнения и изменения природных компонентов окружающей среды, источников негативного влияния и компонентов среды в зоне действия объектов транспорта газа, значительная часть которых получена и обработана лично автором.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, 14 глав, сгруппированных в соответствии с внутренней логикой работы в 3 части и Заключения. В первой части (главы 1-7) рассмотрены научно-методические основы создания системы геоэкологического мониторинга территорий расположения объектов транспорта газа. Вторая часть (главы 8-12) посвящена изложению прогнозной оценки функционирования природно-технической геоэкологической системы «объекты транспорта газа - окружающая среда». В третьей части работы (главы 13-14) изложено практическое применение теоретических и методических разработок, рассмотренных в первых двух частях. Диссертацию завершают выводы и библиографический список, включающий 319 наименований.

Объем работы - 327 страниц машинописного текста, который иллюстрируется 31 рисунком и 37 таблицами.

Научные взгляды автора сформировались во многом под влиянием идей научного консультанта, доктора геолого-минералогических наук, профессора В.В. Пендина, под руководством и в тесном контакте с которым автор работал более 20 лет. Постоянная поддержка, ценные советы и наставления В.В. Пендина в значительной степени способствовали выполнению этой работы, за что автор выражает ему самую искреннюю признательность.

В процессе исследований по теме диссертации автор плодотворно сотрудничал с коллегами из РГГРУ: Д.С. Брыловым, Т.П. Дубиной, В.Л. Зверевым, Д.В. Ивановым, В.Л. Невечерей, А.В. Кончевской, А.Г. Купцовым, И.В. Заигриным, О.И. Кондюриным, Е.И. Корчагиной, Л.В. Курделовой, О.С. Овсянниковой, Т.В. Скворцовой; МГУ: Л.Т. Роман, Э.Д. Ершовым, В.Д. Ершовым, Ю.П. Лебеденко, Е.М. Чувилиным; ВГНА: Г.В. Петровой, ВНИИГАЗа: П.А. Дубиным, «СТРОЙИЗЫСКАНИЙ» - А.И. Левковичем. Всем им автор приносит глубокую благодарность. Особую признательность автор выражает И.В. Лебедевой за содействие этой работе.

Автор благодарен доктору геолого-минералогических наук, профессору В.Е. Бойцову, доктору технических наук, профессору Н.В. Демину, доктору геолого-минералогических наук, профессору В.С. Лебедеву, доктору геолого-минералогических наук, профессору В.Н. Экзарьяну за критические замечания и советы на завершающей стадии работы.

Основные положения работы

транспорт газ геоэкологический безопасность

1. Впервые на примере объектов транспорта газа, расположенных в криолитозоне, обосновано, что теоретической основой геоэкологического мониторинга является синтез системного подхода и концепции раннего предупреждения негативных изменений природно-технических геоэкологических систем, позволяющий выявить закономерные изменения с учетом структурно-геологической неоднородности строения территории, экзогенных геологических процессов и ландшафтно-климатической обстановки.

В 80-х годах появилось много новых терминов, и среди них «геоэкология», с которой связывают развитие экологической тематики в геологии. Несмотря на отсутствие строгого научного подхода к определению объекта и предмета нового «экологизированного» направления в науках геологического цикла, ученые (Г.К. Бондарик, В.Е. Бойцов, Э.В. Гирусова, Г.А. Голодковская, Н.В. Демин, Ю.Б. Елисеев, Д.Г. Зилинг, П.А. Игнатов, А.Н. Клюквин, В.А. Коробейников, В.А. Королев, И.В. Круть, М.Б. Куринов, А.В. Маненков, Ф.Н. Мильков, В.И. Осипов, В.Н. Островский, Л.А. Островский, В.В. Пендин, Л.Л. Прозоров, Н.Ф. Реймерс, Е.М. Сергеев, К.И. Сычев, В.Т. Трофимов, В.Н. Экзарьян и др.) единодушны в том, что это комплексная междисциплинарная наука, методологической основой которой является системный анализ, при котором геоэкологическая среда рассматривается как компонент окружающей среды в тесной связи с атмосферой, гидросферой, биосферой и техносферой, а функциональной единицей изучения являются геоэкологические системы.

По мнению автора, геоэкология - это междисциплинарная комплексная наука об управлении природно-техническими геоэкологическими системами, представляющими собой комплексные образования, в целях сохранения равновесного состояния всех геосфер и оптимизации жизнедеятельности как человека, так и биосистем всех уровней организации, основанная на накоплении информации об искусственно измененных компонентах окружающей среды. Объектом изучения геоэкологии являются природно-технические геоэкологические системы различных уровней.

В геоэкологии наиболее часто используются литотехнические, природно-технические и геоэкологические, реже - природно-технические геоэкологические системы. При этом геоэкологической системой, по мнению автора, является формализованная, сознательно создаваемая, обладающая эмерджентными свойствами модельная конструкция, компонентами которой являются взаимосвязанные и взаимообусловленные друг другом сведения о геоэкологических параметрах, изменяющихся при взаимодействии с окружающей средой (в том числе при искусственных взаимодействиях). Следует учитывать, что устойчивость геоэкологической системы, как единого целого всегда выше устойчивости каждого отдельного ее компонента или подсистемы. Нарушение этого правила, вызванное внутренним саморазвитием системы, или внешним на нее влиянием, выводит систему из состояния равновесия. Таким образом, любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах.

Размер системы должен соответствовать выполняемым ею функциям, в противном случае она будет неэффективной или неконкурентоспособной. С другой стороны, усложнение системы за пределы достаточности в конечном итоге ведет к ее гибели.

Анализируя причины каких-либо изменений, произошедших в окружающей среде, или прогнозируя их, всегда приходится рассматривать не менее двух взаимосвязанных компонентов, образующих единую систему взаимодействия: природную основу системы и ее техногенное ядро. Такие образования можно называть природно-техническими геоэкологическими системами (ПТГЭС), под которыми понимается совокупность взаимодействующих с геосферами Земли искусственно созданных объектов. Структура ПТГЭС включает подсистему природных объектов (геологические тела, почву, водное пространство, атмосферный воздух, животный мир, растительный покров и т.д.) и подсистему антропогенных объектов.

Для получения наиболее объективной картины поведения любой системы необходимо учитывать возможные негативные изменения ПТГЭС, происходящие на всех этапах хозяйственной деятельности. Основной особенностью ведения работ по предупреждению развития негативных изменений в состоянии окружающей среды, при эксплуатации которых предусмотрена возможность управления состоянием ПТГЭС, является проведение на первом этапе энергоинформационной холистической экспертизы, которая позволяет построить эффективную многоуровневую систему понижения неопределенности рисков по областям пространства, временным интервалам и возможным типам аварийных событий, связанных с развитием тех или иных негативных изменений системы, а, следовательно, сузить область дальнейших исследований (рис. 1). На втором этапе осуществляется геоэкологическое обследование территории с целью уточнения диагностики, полученной на первом этапе. Особое внимание при проведении обследования следует уделять ранее оконтуренным зонам риска. На третьем этапе проводится анализ всех собранных материалов и результатов диагностики состояния ПТГЭС на текущий момент времени, что позволяет выявить парагенезис всех процессов и изменений, определяющих возможность развития экстремальных ситуаций. На четвертом этапе на основании анализа риска отказа ПТГЭС в результате проявления негативных процессов и изменений дается возможность предварительно прогнозировать функционирование ПТГЭС в пределах области допустимых состояний. Уточнение предварительного прогноза осуществляется на пятом этапе, который заключается в создании системы геоэкологического мониторинга. На заключительном этапе реализации концепции раннего предупреждения негативных геоэкологических процессов осуществляется проектно-аналитическое и статистическое исследования, направленные на разработку управляющих рекомендаций по безопасной эксплуатации объекта.

Данная концепция подтверждается примером, отражающим ситуацию, которая наблюдалась на территории ГП-4, являющейся локальной ПТС. ГП 4 находится в средней части газового месторождения Медвежье. На первом этапе зоны риска выявлены не были: в период изысканий (1971-72 гг.) площадка находилась полностью в мерзлом состоянии, температура грунтов на глубине нулевых годовых амплитуд была от -0,5є до -2,3є С, мощность сезонно-талого слоя (СТС) изменялась от 0,4 до 1,6 м. Мощность снежного покрова не превышала 0,8 м. Грунтовые воды на площадке не встречены.

Исследования, выполненные в 1987 г. (2 этап), выявили значительные изменения в мерзлотных условиях. К этому времени стабилизировались процессы растепления и изменения среднегодовой температуры. Значительное понижение температуры наблюдалось под зданиями, имеющими продуваемое подполье и под автодорогами, расчищенными от снега. Глубина СТС под цехами - менее 1,0 м, на открытых поверхностях - до 3,0 м. Мощность снежного покрова составляла у стен зданий 2,0 м. Значительное изменение температуры грунтов наблюдалось вдоль подземных коммуникаций, где образовались талики различной мощности. Анализ собранных материалов (этап 3) показал, что на площадке начал развиваться процесс оврагообразования, наиболее интенсивный на границе насыпи. Практически повсеместное обводнение территории способствовало заболачиванию, особенно по границам площадки. На забетонированных участках развился процесс суффозии, что выражалось в образовании провалов в бетонном покрытии, из-под которого вынесло песчаную подсыпку. Из-за сброса технических и бытовых вод произошло образование наледей под цехами. Нарушение мерзлотных условий площадки ГП-4 привело к повсеместному развитию криогенного пучения. В результате изменения мерзлотных и гидрогеологических условий и развития неблагоприятных инженерно-геологических процессов возникли многочисленные деформации сооружений промплощадки, в том числе и перекосы в системе трубопроводов, создав таким образом рисковую ситуацию, которая могла привести к нарушению технологического цикла и возникновению аварий на ГП-4 (этап 4). В целом, промплощадка находилась в неудовлетворительном состоянии. В связи с этим, для дальнейшего наблюдения за развитием геокриологических процессов и за деформациями зданий и сооружений было предложено установить режимную наблюдательную сеть, состоящую из гидрогеологических и термометрических скважин, глубинных реперов, стеновых и опорных марок и пучиномерных площадок (этап 5). Наблюдения, проводимые в 1991 г., показали, что эксплуатация сооружений в период 1986-1991 гг. привела к повышению влажности талых грунтов техногенного комплекса, обладающих тиксотропными, а при промерзании - пучинистыми свойствами. Глубина залегания уровня грунтовых вод колебалась от 0,01 до 1,3 м, что было вызвано: растеплением ММГ; изменением подземного и поверхностного стока за счет уничтожения естественного растительного покрова и сооружения свайных полей, затрудняющих горизонтальную фильтрацию; повышением фильтрационных свойств грунтов в связи с их разуплотнением, вызванном проходкой траншей с обратной засыпкой; изменением положения водоупорного ложа при формировании ореолов протаивания и промерзания. В период эксплуатации производилась дополнительная подсыпка вокруг цехов, поэтому абсолютные отметки поверхности под зданиями значительно ниже, чем вне здания. Вследствие этого, корытообразные углубления под цехами служили естественными дренами, в которых во время снеготаяния и дождей скапливалась вода, увеличивая после замерзания льдистость и пучинистость промерзающих грунтов. Кроме этого, для сохранения запроектированного теплового режима, открытое холодное подполье должно было находиться выше поверхности планировки. Однако была произведена подсыпка песчаного грунта, что привело к тому, что подполье оказалось в полуподвале, а площадь вентиляционных отверстий уменьшилась в 2-3 раза, что, в свою очередь, привело к повышению температуры и увеличению глубины СТС. Процесс криогенного пучения активизировался. Так как он проявлялся неравномерно по площади (от 60 до 255 мм), перекосы стен и абсорберов и изгибы трубопроводов превысили допустимые пределы, что привело к нарушению устойчивого режима эксплуатации ГП-4. Глубокое оттаивание ММГ и образование под одним из цехов озера размером около 3 м привели к уменьшению сопротивления свай выпучиванию и дополнительной осадке свайных опор. Наледи в подполье и прорывы воды под давлением привели к вспучиванию полов и резким поднятиям отдельных опор. В связи с этим, были предложены следующие управляющие рекомендации по сохранению и понижению температуры грунтов в основании (этап 6): уменьшение теплового потока в подполье за счет устройства дополнительной теплоизоляции полов; прекращение сброса воды и растворов при загрузке абсорберов и ремонте тепловых и водопроводных сетей; замена открытого подполья на закрытое с вентиляционными трубами высотой выше 2 м; организация системы сбора и отвода дождевых осадков и кольцевого дренажа вокруг цехов с заглублением его ниже уровня грунта в подполье; осушение песчаного техногенного грунта; замена пучинистого грунта на непучинистый на ширину 5 м и на глубину сезонного оттаивания с отсыпкой в основании слоя торфа мощностью 1,5-2, - м.

Разработка вероятных сценариев развития экстремальных ситуаций дает возможность проводить оперативные мероприятия по предотвращению проявлений негативных процессов. Следует отметить, что план мероприятий не должен приводиться в действие автоматически, а только предлагается лицу, принимающему управляющее решение, в качестве рекомендаций. Лишь после всестороннего изучения последствий реализации предлагаемого плана и учета логики развития событий принимается окончательное решение. Перманентный контроль реакции системы на введение в действие управляющих решений позволяет корректировать прогнозные математические модели.

Предложенная методика концепции раннего предупреждения развития негативных изменений компонентов окружающей среды в полной мере способствует достижению поставленной цели - обеспечению безопасного функционирования актуальной природно-технической геоэкологической системы.

2. Объективность оценки изменения состояния окружающей среды при взаимодействии с объектами транспорта газа в криолитозоне обеспечивается, в первую очередь, учетом теплового и механического влияния на грунты основания, а также изменения гидрогеологических и гидрологических условий; нарушения почвенно-растительного покрова и условий жизнеобитания животного мира; распределения загрязнителей на всех этапах эксплуатации.

В условиях криолитозоны Западной Сибири наиболее опасной ПТГЭС является транспортная инфраструктура, обеспечивающая магистральный транспорт газа и соединяющая между собой отдельные узлы газового комплекса, включая наземные и подземные трубопроводные системы, компрессорные и насосные станции, попутные линии электропередач и связи, электросиловые установки, дороги, хранилища углеводородного сырья, складские и бытовые помещения и другие. В процессе строительства и эксплуатации газотранспортной системы источником влияния на окружающую среду могут быть перекачиваемые продукты, продукты их сгорания, транспорт и строительно-монтажная техника, температура транспортируемой по трубопроводу среды, сами сооружения. Специфика загрязнения в том, что углеводороды не остаются на месте разлива, а интенсивно мигрируют и проникают в почву, грунты, попадают в водоемы и в атмосферу.

Совокупный уровень взаимного влияния инженерных сооружений и компонентов окружающей среды определяется не только масштабом сооружений, технологией и объемом передачи сырья, динамикой эксплуатации, энергетическими и транспортными коммуникациями, но и геологическими, гидрогеологическими, гидрологическими, мерзлотными и климатическими условиями.

Особенно сложное механическое и тепловое взаимодействие возникает между трубопроводами и геологической средой на многолетнемерзлых грунтах и заболоченных территориях.

Так, по степени проявления и динамике геоэкологических процессов Западная Сибирь характеризуется развитием геокриогенных процессов, заболоченности, эрозии и пучинистости грунтов, поэтому даже незначительные техногенные изменения могут привести к резкой активизации данных процессов, которые в свою очередь вызовут различные деформации сооружений. При эксплуатации объектов транспорта газа непосредственному влиянию будут подвергаться верхние горизонты литосферы: изменится мощность сезонно-талого и сезонно-мерзлого слоя. Снятие растительного покрова приведет к постепенному опусканию кровли многолетнемерзлых грунтов, например, глубина протаивания ММГ на территории Уренгойского месторождения через 10 лет после уничтожения растительного покрова увеличилась в 1,5 - 3 раза, особенно на участках мелкодисперсных пылеватых суглинков и супесей.

На участках болот наблюдается активизация сезонного пучения при сезонном промерзании, усиление подтопления. Одновременно с этим на участках с льдонасыщенными грунтами происходит увеличение глубины СТС и развитие термоэрозии. На участках, где происходит высачивание фильтрующихся вод из насыпи, обычно отмечается разрушение ее откосов. Впоследствии здесь начинаются процессы эрозии насыпного слоя и образование эрозионных промоин длиной в несколько десятков метров и шириной до 7-10 м. Выносимый из насыпи материал формируется в виде конуса в устье промоины. Размеры конусов в плане при этом достигают 50-100 м. Вымываемый материал в процессе своей аккумуляции изменяет условия на поверхности участка таким образом, что при наличии в его разрезе льдистых грунтов в сочетании с условиями повышенного снегонакопления вблизи насыпи, способствует активизации термокарста и дополнительному обводнению поверхности.

С процессом сезонного пучения связано наличие пятен медальонов, мелкобугристого рельефа и бугров пучения. В пределах низменных болот и хасыреев на участках газопровода-коллектора месторождения Медвежье встречаются сезонные бугры пучения высотой до 1,0 м. Процессы многолетнего пучения приводят к возникновению сегрегационных минеральных и торфяно-минеральных бугров, а также выпукло-бугристых и крупно-бугристых торфяников. Среди сегрегационных бугров пучения преобладают бугры высотой 2-5 м, реже 8-10 м.

Наблюдается осадка оттаивающего грунта и развитие термокарста. Особую опасность представляет нарушение растительного покрова на участках, сложенных пылевато-суглинистыми грунтами, включающими полигонально-жильные льды, когда даже при достаточно низкой температуре грунтов происходит активное развитие термокарста. Например, наблюдения за одним из тундровых участков вдоль трассы газопровода-коллектора «Медвежье» (t_г = -10-11⁰С) показали, что уже через два года после нарушения растительного покрова осадка протаявших грунтов составила 0,17-1,3 м, а на месте площадки образовался мелкий водоем шириной 0,45-2,8 и глубиной 0,1-0,5 м. Спустя 11 лет ширина водоема достигла 5 м, глубина 1,6 м, осадки более 2,1 м.

Одним из главных факторов, определяющих динамичность среднегодовой температуры грунтов, является изменение толщины снежного покрова (h_сн). Наименее устойчивыми являются участки маломощного снежного покрова. Например, на участках магистрального газопровода Уренгой Надым увеличение мощности снега от 0,1-0,2 м до 0,3 м повышает t_г на 1,0-1,2⁰ С. При более мощном снежном покрове (1,0-1,2 м) увеличение мощности на 0,1 м повышает температуру на 0,1-0,2⁰ С. Это, в свою очередь, привело к увеличению глубин сезонного оттаивания, уменьшению сил смерзания по боковым поверхностям сооружений и увеличению касательных сил, действующих на сооружения, что, в свою очередь, снизило несущую способность оснований и привело к развитию деформаций, обусловленных процессами термокарста и морозного пучения, и к переувлажнению участков с повышенным снегонакоплением.

В зависимости от температуры грунтов и температуры перекачиваемого продукта вокруг трубы образуются сезонные ореолы оттаивания или промерзания. На склонах, сложенных легко размываемыми грунтами, формируются суффозионные воронки диаметром до 10 м и глубиной до 4 м, активизируется процесс термоэрозии, приводящий к формированию оврагов, растущих со скоростью 20 м и более в год. Все эти негативные криогенные процессы вызывают неравномерные деформации газопроводов. На ровных заболоченных поверхностях наблюдается всплытие газопроводов. В зимние месяцы формируются замкнутые зоны промерзающих талых грунтов. Если грунты водонасыщены и пучиноопасны, происходит интенсивное морозное пучение и как следствие - выпучивание газопроводов.

Изменение геокриологических условий представляет потенциальную угрозу для существующих экосистем: происходит нарушение почвенно-растительного покрова и изменение его структуры с долговременной потерей мало способных к восстановлению сообществ с доминированием лишайников, кустарничков, мхов и увеличением роли травянистых сообществ. Это приводит к изменению кормовой базы и изменению условий обитания животных и их видового состава. Популяции оседлых видов животных могут быть уничтожены полностью, а плотность других значительно снизится под действием фактора беспокойства и изменения путей миграции.

К сожалению, не всегда возможно предусмотреть все многообразие и масштабы возможных отрицательных последствий антропогенной деятельности. При правильно проведенной оценке взаимодействия сооружений и природы, можно определить условия эксплуатации ПТГЭС, которые могут проходить при полном преобразовании природной среды, частичном ее изменении или при условии сохранения естественных природных условий. Следовательно, необходимо установить совокупность отношений и связей между компонентами природно-технической геоэкологической системы «объекты транспорта газа-окружающая среда», в противном случае, оценить систему невозможно из-за отсутствия в объективной реальности критериев и эталонов значимости.

3. Геоэкологический мониторинг территорий расположения объектов транспорта газа в криолитозоне представляет собой комплекс наблюдений, накопления и обработки информации, прогноза и выдачи управляющих решений, основанный на взаимодействии природных и техногенных объектов.

За последние десятилетия накоплен большой фактический материал по изменению природы, однако часто эта информация не удовлетворяет современные требования, так как не всегда содержит нужные данные по динамике изучения процессов. В связи с этим встал вопрос об организации специальных наблюдений за состоянием окружающей среды и ее антропогенными изменениями с целью их оценки, прогнозирования и своевременного предупреждения возможных неблагоприятных последствий, т.е. о введении постоянно действующей службы мониторинга.

Основная цель мониторинга - предотвращение отрицательных последствий, связанных с хозяйственной деятельностью человека. На начальном этапе развития мониторинга контролировались главным образом показатели, характеризующие загрязнение воздуха, вод и почв. Объектами наблюдений чаще всего выступали отдельные компоненты природной среды, в ряде случаев - геосистемы и экосистемы. Соответственно наибольшее развитие получили отраслевые звенья мониторинга, практически функционирующие как независимые системы наблюдения и контроля. Но уже скоро стало ясно, что слежение за состоянием отдельных компонентов еще не решает всей проблемы охраны окружающей среды, особенно в Западной Сибири.

Примером может служить Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС), которая представляет собой процедуру, включающую определение возможных неблагоприятных воздействий на окружающую среду и их социально-экологических последствий, разработку мер по уменьшению и / или предотвращению неблагоприятных воздействий. При проведении ОВОС используется информация о природных условиях территории и состоянии ее отдельных компонентов; приводится определение факторов воздействия предполагаемого объекта на окружающую среду в периоды его строительства, эксплуатации и ликвидации: характер воздействия, их источники, зона распространения воздействия и т.п. Дается анализ изменений состояния отдельных компонентов природной среды в зоне воздействия объекта; учитывается имеющаяся прогнозная оценка долговременных последствий от воздействия на окружающую среду намечаемой деятельности, делается расчет компенсации ущерба, причиняемого в периоды строительства и эксплуатации предприятия окружающей среде. Но при этом не учитывается, что не только техногенные объекты могут влиять на состояние окружающей среды, но и сама окружающая среда будет влиять на устойчивость объектов. При этом также не учитывается взаимное влияние компонентов природы друг на друга. Таким образом, сама по себе процедура ОВОС не является эффективной, так как учитывает только связи «субъект - объект» и не уделяется внимание связям «объект-объект», являющимися важным средообразующим звеном субъекта. К тому же, только взаимообусловленность всех составляющих природно-технической геоэкологической системы позволит учитывать соответствующие геоэкологические риски.

Указанные недостатки преодолеваются в рамках предлагаемого геоэкологического подхода, концептуальные положения которого можно изложить следующим образом:

1. Объектами изучения являются сложноорганизованные полигеокомпонентные системы, которые исследуются с разных сторон и позиций, стремясь к получению не одной модели системы, а ее множеств, которые являются самостоятельными системами и развиваются по собственным законам.

2. Геоэкологические исследования проводятся исходя из коэволюционной концепции соразвития или сотворчества человека и природы. Отсюда, геоэкологические системы изучаются как системы полиструктурные, с учетом принципа равенства всех компонентов.

3. Полисубъективность геоэкологических исследований предполагает, что в центре изучения могут находиться не только геоэкологические компоненты, но и другие аспекты и критерии действительности - природоохранные, производственные, историко-культурные, социальные и т.д.

4. Субъектоцентричность геоэкологического изучения определяет оценочность или аксиологичность геоэкологических суждений и выводов.

При несоблюдении этих положений мониторинг может дать лишь конгломерат мало связанных друг с другом сведений, а соответственно и разработку недостаточно эффективных мероприятий. Отсюда следует, что оптимальное решение проблемы взаимоотношения общества и природы на всех уровнях возможно лишь на основе организованного комплексного мониторинга, основанного на учете взаимосвязей между компонентами природы и их трансформацией в результате антропогенеза. Такой мониторинг позволяет получить разностороннюю информацию о современном состоянии окружающей среды, выявить процессы деградации геоэкологических систем, а на этой основе дать прогноз их будущего состояния и разработать эффективные управляющие решения.

Как известно, под влиянием хозяйственной деятельности человека природные системы претерпевают существенные изменения, приводящие к нарушению и ухудшению природно-ресурсного потенциала. В таких условиях особое значение приобретают локальный и региональный мониторинг преобразованных систем в криолитозоне.

Мониторинг, ориентированный на информационное обеспечение комплексного управления качеством ОС и производственными процессами, должен:

- обеспечить постоянную оценку условий среды обитания человека и живых организмов, выявить текущее состояние геоэкологических сред и установить функциональную целостность геоэкологических систем;

- установить причины негативного влияния на геоэкологические системы до того, как будет нанесен значительный ущерб;

- определить корректирующие действия в тех случаях, когда целевые показатели геоэкологических условий не достигаются.

Такого рода мониторинг за физическими, химическими, биологическими аспектами компонентов окружающей среды с учетом пространственного и временного распределения следует охарактеризовать как геоэкологический мониторинг.

По мнению автора, под геоэкологическим мониторингом (ГЭМ) необходимо понимать проводимые по установленным программам регулярные наблюдения за природными средами, природными ресурсами, природными условиями, растительным и животным миром, источниками техногенного воздействия, позволяющие выявить происходящие в них под взаимным влиянием как неблагоприятные, так и позитивные изменения; обобщение и анализ полученных данных, а также прогноз последствий изменений состояния объекта наблюдения на основе оценки происходящих перемен с целью разработки управляющих решений для соблюдения геоэкологической безопасности природно-технических геоэкологических систем (ПТГЭС).

Геоэкологический мониторинг территорий расположения объектов транспорта газа в криолитозоне имеет следующие четыре основные взаимосвязанные задачи:

1. Прогноз возможных изменений окружающей среды при транспорте газа для конкретных сочетаний природных условий и последствий антропогенеза, рекомендации по уменьшению нежелательных последствий влияния производства.

2. Слежение, изучение и контроль за состоянием окружающей среды в местах наиболее вероятной потенциальной опасности загрязнений и возможных нарушений и изменений геоэкологических систем.

3. Прогноз изменения биотических и абиотических компонент геоэкосистем, загрязненных и измененных в процессе производственной деятельности.

4. Контроль за восстановлением загрязненных и техногенно измененных ПТГЭС, оценка качества восстановления природных объектов.

При проведении ГЭМ объектов транспорта газа в обязательном порядке должны контролироваться: линейная часть, компрессорные станции, селитебные зоны и поселки по направлению преимущественных ветров на расстоянии влияния газотранспортного объекта, параметры состояния элементов окружающей среды в зоне их взаимодействия с объектами транспорта газа, экзогеодинамические процессы. Должна проводиться оценка экономической эффективности с анализом всех платежей за пользование природными ресурсами, платежей и штрафов за загрязнения, а также измерение и оценка эффективности работ по восстановлению природной среды и мер по ослаблению отрицательных воздействий.

ГЭМ территорий расположения объектов транспорта газа в Западной Сибири можно классифицировать на отдельные виды мониторинга по комплексу решаемых задач, объектам наблюдений, пространственному уровню, методам реализации и т.д.

Система ГЭМ состоит из сети сбора информации; центров сбора и анализа информации, планирования природоохранной деятельности; региональных и отраслевых информационно-аналитических центров; системы сбора и передачи информации от сети мониторинга до отраслевого центра и в региональные и федеральные центры Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ). Необходимо взаимодействие службы ГЭМ объектов транспорта газа с региональными службами Росгидромета, МПР России, центрами ЕГСЭМ и другими контролирующими органами.

Структура геоэкологического мониторинга индивидуальна, подлежит специальной разработке в каждом конкретном случае и пока не поддается жесткой регламентации. В общем виде структурная схема повторяет по форме схему мониторинга геологической среды, предложенную В.А. Королевым, основу которого составляет автоматизированная информационная система (АИС), создаваемая на базе ЭВМ. Структуру ГЭМ территорий расположения объектов транспорта газа можно представить в виде сложной системы, состоящей из нескольких подсистем различного назначения и функций (рис. 2). В этой связи мониторинг является особой геоинформационной системой (ГИС), которая строится на основе детальных баз информационных данных. При организации ГЭМ встают задачи прогнозирования возможных изменений окружающей среды и принятия в связи с этим управляющих решений, которые решаются на базе моделирования.

Моделирование осуществляется в картографической форме путем построения серии аналитических прогнозно-оценочных карт, примеры которых приведены в диссертационной работе, по одному или нескольким расчетным критериям, которые в комплексе служат основой расчетов и построения карты устойчивости ПТГЭС, систематизирующей все эти данные.

Универсальная классификация прогнозов, используемых в ГЭМ, пока отсутствует. В принципе, каждый прогноз должен сопровождаться его верификацией, осуществляемой при сопоставлении прогнозных оценок с их реализацией. Разработка прогноза изменений окружающей среды в рамках геоэкологического мониторинга базируется на анализе режимной информации, всех видов наблюдений, данных моделирования, на комплексе оценочных и прогнозных карт, а также карт техногенной нагрузки с учетом их легенд и экспликаций. Чем дольше функционирует система мониторинга, тем надежнее и точнее прогноз.

Применительно к данной ситуации можно предложить методику прогнозной оценки территорий, теоретической основой которой является синтез системного подхода и концепции поля геологического параметра при принятии проектных решений по прокладке газопроводов в криолитозоне, что позволяет оценить степень стабильности ПТГЭС уже на стадии проектирования, исходя из опыта эксплуатации газопроводов, проложенных в аналогичных условиях.

В системе ГЭМ сложность вопроса заключается в выборе наиболее надежного и наиболее целесообразного метода прогнозирования из числа существующих методов. Более того, во многих случаях использование только одного какого-либо метода представляется недостаточным и требуется использование комплекса методов прогнозирования.

4. Прогноз изменений ПТГЭС следует выполнять с помощью совокупного использования методов аналогий, математического моделирования, расчетных, лабораторных и экспериментальных исследований на основе учета возможного развития наиболее опасных инженерно-геологических процессов, загрязнения атмосферы, поверхностных и подземных вод, почв, изменения биосферы и социосферы. Существующие ограничения для каждого из методов уменьшаются при их совместном использовании, что позволяет применять их для практических целей.

Использование метода природных аналогов. С целью прогноза поведения природно-технической геоэкологической системы и разработки программы геоэкологического мониторинга «объекты транспорта газа - окружающая среда» в условиях техногенного освоения территорий в пределах ЯНАО было выбрано два участка: территория Находкинского (1 участок) и Уренгойского (2 участок) месторождений.

Для первого участка характерны уникальные природные условия: малая степень антропогенной нарушенности, отсутствие очагов загрязнения компонентов природной среды, богатство животного и растительного мира.

Второй участок, освоение которого началось в 80-е годы, характеризуется изменением начальной природной и геоэкологической обстановки и наложением различных видов влияния на окружающую среду, которое вызвало ответную реакцию и динамичное развитие процессов, ведущих к снижению надежности функционирования объектов транспорта газа, что показали повторные обследования участка в 2004 г.

Так как природные условия первого и второго участков практически одинаковы, сравнение их позволяет сделать вывод о тех негативных изменениях, которые могут произойти на первом участке через 20 лет после начала эксплуатации месторождения. Это позволяет, в свою очередь, выделить с помощью методов прогнозного моделирования наиболее уязвимые площади с точки зрения их особой ценности и территории, которые будут в большей степени подвержены техногенезу во время эксплуатации объектов транспорта газа и, как следствие, составить примерную программу геоэкологического мониторинга.

В таблицах 1, 2, 3 представлена сравнительная характеристика исследуемых участков, отражающая наиболее характерные изменения в состоянии компонентов окружающей среды в пределах участка Уренгойского месторождения с начала его освоения и состояние участка Находкинского месторождения до начала его освоения.